暖白光LED用低光衰高显色性Lu3Al5-x(Si/B)xO12-yNy:Ce荧光粉的研究

与商业化白光LED中常用的YAG:Ce荧光粉相比，LuAG作为荧光粉基质材料具有更为明显的优势和更加优异的性能，因此，LuAG:Ce作为荧光粉材料在白光LED器件上的应用研究及其发光性能提高的机理应该重新引起研究者们的高度重视。 基于此，本研究项目以离子取代进行微结构调控的新型Lu3Al5-x(Si/B)xO12-yNy:Ce荧光体为研究对象，以成本低廉的高纯度氧化物、亚微米α-Si3N4、纳米无定形Si3N4、BN、AlN及烧结助剂为原料，通过高温固相烧结工艺在LuAG晶格中引入不同形式的N3-离子进行微结构调控，制备了不同N3-离子固溶度的Lu3Al5-x(Si/B)xO12-yNy:Ce荧光材料；研究了N3-离子的不同引入方式、固溶度、助溶剂、温度、保温时间等因素对荧光粉精细结构、光学帯隙、发光性能的影响及其内在作用机制，探讨了Lu3Al5O12-xNx:Ce荧光体发光强度增强的根本原因；研究了不同化学组成荧光材料的高温荧光特性，阐明了新型石榴石基氧氮化物荧光体的发光动力学和发光机制。在此基础上，通过其化学组成设计、制备工艺的优化和精确控制，实现了微结构调控新型Lu3Al5-x(Si/B)xO12-yNy:Ce荧光体发光性能的有效剪裁设计和可控制备，并探索了其在高发光效率、低色温和高显色性暖白光LED上的应用潜能。

通过离子取代进行微结构调控合成的新型Lu3Al5-x(Si/B)xO12-yNy:Ce荧光粉，不但发射色彩可控裁剪，且光效和热稳定性都远远优于同结构的YAG:Ce材料，在低色温和高显色性暖白光LED中表现出巨大应用潜力，但其发光性能提高的内在机制尚不清楚。本项目以新型Lu3Al5-x(Si/B)xO12-yNy:Ce荧光粉为研究对象，综合利用微观结构分析和第一性原理的模拟计算，研究取代离子占据LuAG晶格的具体位置及取代后发光离子中心的局部微结构变化；通过化学组成设计、制备工艺优化、精细结构解析和发光性能的系统研究，揭示其相互之间的关系，阐明其发光机制，深化对晶态材料宏观发光特性与发光中心微观功能基元本质的认识，进而提出实现微结构调控新型Lu3Al5-x(Si/B)xO12-yNy:Ce荧光体发光性能剪裁设计和可控制备的有效途径，为研制低色温和高显色指数的暖白光LED奠定基础。

新一代照明光源——白光发光二极管（LED）已经走进了千家万户，但当前市场化的白光LED是蓝光芯片与黄色YAG:Ce3 荧光粉组合而成，该组合存在显色指数不高、使用后期可能偏离白光等问题。开发高效、高热稳定的单一基质白光荧光粉是解决该问题的一种有效办法。 项目申请时拟以Ca3Al2O6:Ce3 作为载体，研究提高量子效率和实现单一基质暖白光的方法并总结规律，最后制作白光pc-LED器件。研究进行中发现基质中引入较大半径的Sr2 能够提高量子效率，并在Li4SrCa(SiO4)2:Ce3 系列中得到验证。 主要研究内容及重要结果如下： 1) 在Ca3Al2O6: Ce3 /Tb3 /Mn2 荧光粉中发现，共掺Tb3 和Mn2 会因Ce3 不同的发光而出现不一样的能量传递方式和效率。蓝光Ca3Al2O6: Ce3 可将Ce3 的激发态能量有效传递给Tb3 ，但是到Mn2 的能量传递效率非常低。而青光Ca3Al2O6: Ce3 则可同时将Ce3 的激发态能量传递给Tb3 和Mn2 ，并通过调控掺杂浓度实现了白光发射——但此时激发主峰在305 nm，尚无合适的芯片与其匹配。 2) Ca2.5Sr0.5Al2O6:Ce3 荧光粉的发光强于Ca3Al2O6: Ce3 ，且通过Ce3 调整浓度可在365 nm附近的近紫外光下发射420 nm或470 nm的光。分别引入Mn2 后实现发光的调控和暖白光发射，显色指数可达90以上。 3) 在Li4SrCa(SiO4)2:Ce3 中，288 nm激发下的近紫外主导的发光绝对量子效率高达97%，但360 nm激发下的蓝光发射量子效率只有82%。通过基质筛选（调整）——Li4Sr1 xCa0.97-x(SiO4)2，增加Sr减少Ca的方式可增强Ce3 的蓝光发射。当x = 0.4时，蓝光最强，对应365 nm激发下的绝对量子效率提高到了94%，热稳定性也非常好——200摄氏度时发光强度仍维持室温强度的95%。最后用最佳荧光粉制作了pc-LED器件，所得暖白光pc-LED的显色指数高达94，表明该荧光粉具有很好的潜在应用前景。